一种铁酸铋基纳米陶瓷及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁酸铋基纳米陶瓷，其主要组成成分的化学式为Bi0.8Gd0.2Fe1‑xTixO3，其中x的值为Ti

A Bismuth Ferrate-based Nano-ceramics and Its Preparation Method

The invention discloses a bismuth ferrite-based nano-ceramics, whose main chemical formula is Bi0.8Gd0.2Fe1_xTixO3, in which the value of X is Ti.

【技术实现步骤摘要】
一种铁酸铋基纳米陶瓷及制备方法
本专利技术涉及无极非金属材料制备
，特别是涉及一种铁酸铋基纳米陶瓷及制备方法。
技术介绍
铁酸铋(BiFeO3，BFO)，是一种扭曲的三角钙钛矿结构，具有较高的居里温度、尼尔温度和较大的剩余极化温度，在铁电随机存储器、自旋电子器件、磁电存储单元、光电器件等领域具有很好的应用前景。在铁酸铋中，Bi元素高温下易挥发，不易生成纯相，Fe元素易变价产生Fe2+，导致电子在Fe2+/Fe3+之间跳跃，使体系的介电损耗过大，且其自身结构存在周期为62nm的非对称螺旋结构，因而体系宏观上反映出反铁磁性，体系的宏观磁性较弱。对于上述情形，可通过向铁酸铋中掺杂其他元素以得到改善，现有技术中有通过向铁酸铋陶瓷中加入镧系元素(La、Dy、Ce和Nd)、Ba或Cr，显著提高了铁酸铋陶瓷的铁磁性。虽然现有技术提高了铁酸铋陶瓷的铁磁性，但当掺杂没有改变其反铁磁结构，漏电流较大，同时，由于现有技术中的掺杂元素，恶化了其铁电性，铁酸铋陶瓷的剩余极化强度明显降低，部分条件下剩余极化强度仅为1μC/cm2。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提出一种铁磁性和铁电性良好的铁酸铋基纳米陶瓷，且具有更低的介电损耗和漏电流。一种铁酸铋基纳米陶瓷，其主要组成成分的化学式为Bi0.8Gd0.2Fe1-xTixO3，其中x的值为Ti4+的掺杂比例，0.01≤x≤0.1，Bi0.8Gd0.2Fe1-xTixO3的物相为正交相。根据本专利技术提出的铁酸铋基纳米陶瓷，采用Gd和Ti对铁酸铋陶瓷掺杂，且掺杂后的产物为正交相，打破了铁酸铋基陶瓷的螺旋周期，改善了铁酸铋陶瓷的铁磁性和铁电性，降低了介电损耗和漏电流。本专利技术的另一个目的在于提出一种上述铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)根据掺杂元素的摩尔比称取铋源、铁源、钆源和和钛源，混合溶解于有机溶剂中，配置为浓度0.05～0.2mol/L的混合溶液；(2)向混合溶液中加入添加剂，添加剂与混合溶液的摩尔比为0.5～2:1，搅拌3～5小时，得溶胶；(3)将溶胶干燥10～15小时，干燥温度为100～150℃，精细研磨，得纳米粉体；(4)将纳米粉体填入石墨模具中，对纳米粉体进行等离子烧结，抛磨除去表面的碳纸，退火，得铁酸铋基纳米陶瓷。根据本专利技术提出的铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，其有益效果在于：采用铋源、铁源、钆源和和钛源混合，通过加入添加剂制成溶胶，有利于后期的烧结，干燥后再采用等离子烧结，提高了产物的致密度，从而使铁磁性得到增强，并促进了铁酸铋基纳米陶瓷中正交相的产生，提高了正交相产生的概率。另外，根据本专利技术提供的铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述步骤(1)中的铋源为Bi(NO3)3·5H2O，铁源为Fe(NO3)3·9H2O，钆源为Gd(NO3)3·6H2O，钛源为C16H36O4Ti，其中钛源选择有机溶液，能有效控制Ti元素的含量，并促进后续的烧结过程中产生正交相。进一步地，所述步骤(1)中的有机溶剂为乙二醇甲醚、冰醋酸、乙二醇、乙醇中的一种或多种的组合，将各种元素混合为溶液，用于后续处理。进一步地，所述步骤(2)中的添加剂为酒石酸、乙酰丙酮、柠檬酸中的一种或多种的组合，加入添加剂后的混合溶液会形成溶胶，其中当添加剂为酒石酸时，能形成酒红色溶胶，对该溶胶进行烧结时，易使其发生晶格畸变，提高正交相的产生概率。进一步地，所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括将纳米粉体进行预烧，在等离子烧结前先进行预烧能提高最终烧结所得产物的致密度，提高产物的铁磁性和铁电性。进一步地，所述预烧为在400～500℃条件下烧结1～3小时。进一步地，所述步骤(4)中的等离子烧结的过程中控制烧结参数如下：烧结温度为500～700℃，烧结时长为10～15分钟。进一步地，所述烧结参数还包括控制烧结环境的真空度为2～10Pa，在一定真空度下进行烧结，能进一步提高烧结的致密度，同时在等离子烧结中更易产生正交相。进一步地，所述步骤(4)中的退火过程为在400～600℃的空气中退火1～3小时。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术实施例1的铁酸铋基纳米陶瓷和标准正交相的XRD曲线对比图；图2是本专利技术实施例1的铁酸铋基纳米陶瓷的电滞回线；图3是本专利技术实施例1的铁酸铋基纳米陶瓷的M-H曲线图；图4是对照例1所得铁酸铋基纳米陶瓷的电滞回线。具体实施方式为使本专利技术的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本专利技术的若干实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容更加透彻全面。实施例1本实施例提出铁酸铋基纳米陶瓷，其主要组成成分的化学式为Bi0.8Gd0.2Fe1-xTixO3，其中x的值为Ti4+的掺杂比例，x＝0.05，Bi0.8Gd0.2Fe1-xTixO3的物相为正交相。上述铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法包括以下步骤：(1)根据掺杂元素的摩尔比称取铋源、铁源、钆源和和钛源，混合溶解于有机溶剂中，配置为浓度0.1mol/L的混合溶液；(2)向混合溶液中加入添加剂，添加剂与混合溶液的摩尔比为1:1，搅拌4小时，得溶胶；(3)将溶胶干燥12小时，干燥温度为120℃，精细研磨，得纳米粉体；(4)将纳米粉体填入石墨模具中，对纳米粉体进行等离子烧结，抛磨除去表面的碳纸，退火，得铁酸铋基纳米陶瓷。在本实施例中，所述步骤(1)中的铋源为Bi(NO3)3·5H2O，铁源为Fe(NO3)3·9H2O，钆源为Gd(NO3)3·6H2O，钛源为C16H36O4Ti，本实施例的钛源选择有机溶液，能有效控制Ti元素的含量，并促进后续的烧结过程中产生正交相。所述步骤(1)中的有机溶剂为乙二醇，将各种元素混合为溶液，用于后续处理，所述步骤(2)中的添加剂为酒石酸，当添加剂为酒石酸时，能形成酒红色溶胶，对该溶胶进行烧结时，易使其发生晶格畸变，提高正交相的产生概率。所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括将纳米粉体进行预烧，在等离子烧结前先进行预烧能提高最终烧结所得产物的致密度，提高产物的铁磁性和铁电性，预烧为在450℃条件下烧结2小时。所述步骤(4)中的等离子烧结的过程中控制烧结参数包括：烧结温度为650℃，烧结时长为10分钟，真空度为5Pa。在一定真空度下进行烧结，能进一步提高烧结的致密度，同时在等离子烧结中更易产生正交相。所述步骤(4)中的退火过程为在600℃的空气中退火2小时。本实施例所得的铁酸铋基纳米陶瓷的致密度为98.5％。请参阅图1，本实施例采用XRD图谱分析对样品结构进行了验证，其图谱的每个峰都和理论计算的正交相结构的标准衍射图谱卡有很好的对应关系(标准衍射图谱卡号JCPDS为16-6040)，证明本实施例中的铁酸铋陶瓷的物相为正交相结构。从图2中可以看出，本实施例所得的铁酸铋基陶瓷受漏电流影响较小，所得曲线在电压的所有范围内几乎均为连续状态，则当电压升高时，铁酸铋基陶瓷也不会出现击穿现象。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁酸铋基纳米陶瓷，其特征在于，其主要组成成分的化学式为Bi0.8Gd0.2Fe1‑xTixO3，其中x的值为Ti4+的掺杂比例，0.01≤x≤0.1，Bi0.8Gd0.2Fe1‑xTixO3的物相为正交相。

【技术特征摘要】
1.一种铁酸铋基纳米陶瓷，其特征在于，其主要组成成分的化学式为Bi0.8Gd0.2Fe1-xTixO3，其中x的值为Ti4+的掺杂比例，0.01≤x≤0.1，Bi0.8Gd0.2Fe1-xTixO3的物相为正交相。2.根据权利要求1所述的铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据掺杂元素的摩尔比称取铋源、铁源、钆源和和钛源，混合溶解于有机溶剂中，配置为浓度0.05～0.2mol/L的混合溶液；(2)向混合溶液中加入添加剂，添加剂与混合溶液的摩尔比为0.5～2:1，搅拌3～5小时，得溶胶；(3)将溶胶干燥10～15小时，干燥温度为100～150℃，精细研磨，得纳米粉体；(4)将纳米粉体填入石墨模具中，对纳米粉体进行等离子烧结，抛磨除去表面的碳纸，退火，得铁酸铋基纳米陶瓷。3.根据权利要求2所述的铁酸铋基纳米陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铋源为Bi(NO3)3·5H2O，铁源为Fe(NO3)3·9H2O，钆源为Gd(NO3)3·6H2O，钛源为C16H36O4Ti。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：田娅晖，薛飞，王蓓，
申请(专利权)人：江西科技学院，
类型：发明
国别省市：江西,36